comment les pierres racontent la terre (2011 - pierre thomas

Comment les pierres racontent la TerreComment les pierres racontent la Terre

Pierre THOMAS, ENS Lyon FleurancePierre THOMAS, ENS Lyon Fleurance, ao, aoûût 2011t 2011

Dis, dessine moi la Terre.

Comment et de quoi Comment et de quoi est constituest constituééll’’intintéérieur de rieur de la Terre ?la Terre ?

Dans l’inconscient collectif, et ce depuis des siècles, le centre de la Terre est une boule de magma en fusion.

R.P. Kircher (1602-1680), Mundus subterraneus

La vision actuelle « grand-

public » de cet intérieur de la Terre,

fausse.

Comment connaComment connaîîtt--on on ll’’intintéérieur de la rieur de la Terre ?Terre ?

GrGrââce ce àà la la sismologie ! sismologie ! Voici le rVoici le réésultat : sultat :

1300°

2000°

3000°

15°

En En marron, marron, la crola croûûte te

(basalte, (basalte, granite granite ……))

En vert foncEn vert foncéé, le , le manteau manteau «« froidfroid »»

En vert clair, En vert clair, le manteau le manteau «« chaudchaud »»

Noyau de fer liquide

Roche solide,

Roche solide,

Roche solide,

nommnommnommééée e e

pppéééridotite

ridotiteridotite

12 760 km

La structure interne de la Terre

?

5500°

5000°

Fer solide

4000°

Un morceau de manteau (terrestre)

PremiPremièère question : pourquoi la Terre estre question : pourquoi la Terre est--elle elle chaude chaude àà ll’’intintéérieur ? rieur ?

Surtout Surtout àà cause de la radioactivitcause de la radioactivitéé naturelle : naturelle : 0,2 gramme d0,2 gramme d’’Uranium par tonne de Uranium par tonne de «« caillouxcailloux »»..

DeuxiDeuxièème question : pourquoi la Terre estme question : pourquoi la Terre est--elle elle solide solide àà ll’’intintéérieur, malgrrieur, malgréé la trla trèès haute s haute temptempéérature ? rature ?

L’intérieur de la Terre chauffe comme 42 000 centrales nucléaires

CAFE

(moulu, sous vide)14

cm

8 cm5 c

m

Pression atmosphérique : 1013 hPa ~ 1 kg / cm~ 1 kg / cm2 2

Surface du paquet de cafSurface du paquet de caféé440 cm440 cm22

Poids de lPoids de l’’air qui air qui “é“écrasecrase”” le le plastic autour du paquet de plastic autour du paquet de cafcaféé : 440 kg: 440 kgLes grains de cafLes grains de caféé sont sont éécrascraséés les uns sur les autres s les uns sur les autres par ce poids et cette pression. par ce poids et cette pression. le paquet est solidele paquet est solide

La pression due aux roches susLa pression due aux roches sus--jacentes rend ljacentes rend l’’intintéérieur de la Terre rieur de la Terre solide, malgrsolide, malgréé la haute templa haute tempéératurerature

Et pourtant, malgrEt pourtant, malgréé ll’é’état solide de ltat solide de l’’intintéérieur de la Terre, il rieur de la Terre, il sort parfois de la lave, roche fondue, ici trsort parfois de la lave, roche fondue, ici trèès fluide comme au s fluide comme au PuPu’’uu ’’o o ’’o , o , àà Hawaii, en 1986. DHawaii, en 1986. D’’ooùù vient cette lave ? vient cette lave ?

En refroidissant, cette lave trEn refroidissant, cette lave trèès fluide donne du basaltes fluide donne du basalte

Des basaltes et des roches voisines, qu’on verra en échantillon et au microscope

MANTEAU (péridotite chaude mais solide)

MAGMA

Fusion

LAVE FLUIDE (basalte …) VOLCANISME EFFUSIF

Question 1 : pourquoi y a-t-il, par endroit, fusion du manteau et

production de magma ?

CAFE

(moulu, sous vide)14

cm

8 cm5 c

m

On perce le paquet de cafOn perce le paquet de caféé. . De lDe l’’air rentre dedansair rentre dedansIl y a autant dIl y a autant d’’air de chaque air de chaque cotcotéé du plastic, qui ndu plastic, qui n’é’écrase crase plus la poudre de cafplus la poudre de caféé. .

Les grains de cafLes grains de caféé ne sont ne sont plus plus éécrascraséés les uns sur les s les uns sur les autres par la pression de lautres par la pression de l’’air air le paquet est mou le paquet est mou

Cette comparaison montre Cette comparaison montre que que diminuer la pression diminuer la pression fait fondre les corps fait fondre les corps suffisamment chaudssuffisamment chauds

La Terre est froide à l’extérieur, chaude à l’intérieur. Ca « convecte » comme l’eau dans une casserole sur le feu. Mais comme c’est solide, ça ne bouge qu’à … 5 cm / an.

Il y a des parties qui montent ; leur pression diminue ; elles fondent très légèrement. Il y a des parties qui descendent, ce qui amène de l’eau dans le manteau situéau dessus, qui alors va aussi fondre très légèrement.

En rouge, les rares endroits où il y a du magma


MAGMA

Fusion partielle




Question 2 : pourquoi sort-il du magma basaltique et non pas de

la péridotite fondue ?

Quand on met Quand on met des rillettes au soleil, des rillettes au soleil, il y a une fusion tril y a une fusion trèès s partielle. Un peu de partielle. Un peu de gras fond, et il reste gras fond, et il reste des rillettes ldes rillettes lééggèèrement rement ddéégraissgraisséées. Ces. C’’est est pareil avec de la pareil avec de la ppééridotite. Si on la fond ridotite. Si on la fond àà quelques %, quelques %, çça donne a donne du basalte et un rdu basalte et un réésidu sidu de pde pééridotite appauvrieridotite appauvrie

Mais il y a des volcans avec une lave tellement visqueuse Mais il y a des volcans avec une lave tellement visqueuse ququ’’elle ne coule pas mais fabrique un delle ne coule pas mais fabrique un dôôme, me,

comme ici celui du comme ici celui du KeludKelud, , àà Java.Java.

http://www.volcanodiscovery.com/fr/kelud/1107/lava_dome.html

Il faut attendre le soir pour voir que lIl faut attendre le soir pour voir que l’’intintéérieur de rieur de ce dce dôôme est fait de lave chaude (mais visqueuse)me est fait de lave chaude (mais visqueuse)

Comme le dComme le dôôme gonfle sous lme gonfle sous l’’arrivarrivéée de nouveau e de nouveau magma, il smagma, il s’é’éboule.boule.

18 k

m

Parfois, ces volcans Parfois, ces volcans àà lave visqueuse lave visqueuse

explosent, et explosent, et donnent des donnent des

«« panachespanaches plinienspliniens »», , ainsi que ainsi que ……

…… et des coulet des couléées pyroclastiques ( = nues pyroclastiques ( = nuéées ardentes)es ardentes)

Ces coulées pyroclastiques charrient des ponces

Les roches : des trachytes, des dacites, des rhyolites …, massives ou sous forme de ponce, qu’on verra en échantillon et au microscope.


MAGMA

Fusion partielle

Sortie du magma sans

modification

LAVE FLUIDE VOLCANISME EFFUSIF






MAGMA

Fusion partielle

Sortie du magma sans

modification

Sortie du magma avec

modification


LAVE VISQUEUSE ( rhyolite …) VOLCANISME EN DOME ET/OU

EXPLOSIF

Question 3 : pourquoi y-

a-t-il, parfois,

modification du magma ?





1200°C 950°C 700°C

SiO2 = 35% SiO2 = 50% SiO2 = 60%

SiO2 = 45% SiO2 = 55% SiO2 = 65% SiO2 = 70%

La cristallisation fractionnée (= différenciation) modifie la chimie, donc la viscosité du magma

Basalte Rhyolite

Parfois, le magma, surtout quand il est visqueux, Parfois, le magma, surtout quand il est visqueux, nn’’atteint pas la surface et cristallise en profondeuratteint pas la surface et cristallise en profondeur

VoilVoilàà comment un comment un «« panneau touristiquepanneau touristique »»explique, en trois explique, en trois éétapes, la gentapes, la genèèse du granite de se du granite de

Torres Torres deldel Paine en Patagonie chiliennePaine en Patagonie chilienne

La roche : du granite et des roches voisines, qu’on verra en chantillon et au microscope.

Dans les granites, lDans les granites, l’’orientation des minorientation des minééraux prouve que le raux prouve que le magma a magma a «« coulcouléé »» tout en restant en profondeur. tout en restant en profondeur.

Quand on fait Quand on fait refroidir refroidir «« lentementlentement »» un un liquide (ici du liquide (ici du soufre fondu), il soufre fondu), il cristallise en cristallise en faisant de faisant de «« grosgros »» cristaux. cristaux.

5 cm

Si on renverse du Si on renverse du soufre fondu sur soufre fondu sur une plaque de une plaque de fafaïïence, on ence, on obtient obtient ……

Refroidissement rapide

microcristaux

Refroidissement plus lent macrocristaux

…… çça. La vitesse de refroidissement (plus rapide a. La vitesse de refroidissement (plus rapide sur les bords) conditionne la taille des cristauxsur les bords) conditionne la taille des cristaux

1 cm

Un magma riche en silice donne de la rhyolite, du trachyte ou des roches voisines si il arrive en surface, du

granite ou des roches voisines si il reste en profondeur

Un magma pauvre en silice donne un basalte si il arrive en surface, du gabbro

si il reste en profondeur.

Microscope, lumiere polarisée

Les cristaux ont une propriLes cristaux ont une propriééttéé optique quoptique qu’’on on appelle la birappelle la birééfringence (on va la voir en vrai). fringence (on va la voir en vrai).

Cette biréfringence donne des couleurs quand on observe des lames minces (30) de roche au microscope polarisant.

On s’arrête une première fois pour regarder quelques propriétés des cristaux, de la lumière polarisée … et pour regarder du manteau, des basaltes, des granites et toutes les roches dont on a parlé …

Puis on regardera les roches produites par des phénomènes superficiels.

Les roches, un fois soumises aux intempLes roches, un fois soumises aux intempééries, ries, ss’’altaltèèrent, se drent, se déésagrsagrèègent gent ……

Les roches, plus ou moins altLes roches, plus ou moins altéérréées, sont la proie de es, sont la proie de ll’é’érosion. Orages, ruissellements, ruisseaux et rosion. Orages, ruissellements, ruisseaux et

rivirivièères charrient gravier, sable et boue argileuse res charrient gravier, sable et boue argileuse ……

…… qui finissent par arriver qui finissent par arriver àà la mer la mer ……

Le delta du Mississipi100 km

…… ooùù ils se dils se dééposent et forment posent et forment ……

…… des bancs de sable qui, au cours des millions des bancs de sable qui, au cours des millions dd’’annannéées vont se transformer enes vont se transformer en roche pour roche pour devenir du grdevenir du grèès. s.

250 Ma

540 Ma

1000

m

Ici, 1000 m de grIci, 1000 m de grèès ds dééposposéés pendant 290 Ma, s pendant 290 Ma, pendant lpendant l’è’ère primairere primaire

Des couches de grDes couches de grèès vues de plus prs vues de plus prèès, ici en Alsaces, ici en Alsace

GrGrèès (rose en s (rose en Alsace) qui sont les Alsace) qui sont les pierres de pierres de construction de la construction de la cathcathéédrale de drale de Strasbourg. On en Strasbourg. On en verra des verra des ééchantillons.chantillons.

Dans la mer, il nDans la mer, il n’’y a pas que du sable et de ly a pas que du sable et de l’’argile. argile. Il y a des ions (des sels) en solution.Il y a des ions (des sels) en solution.

Ces ions peuvent Ces ions peuvent prpréécipiter cipiter «« tout tout

seulsseuls »» et vont et vont former des roches former des roches

comme le gypse (on comme le gypse (on en verra), le sel en verra), le sel

gemme gemme ……

Ces sels minCes sels minééraux sont utilisraux sont utiliséés par le plancton, qui s par le plancton, qui parfois parfois «« exploseexplose »» (bloom). Une partie de ce (bloom). Une partie de ce

plancton possplancton possèède des (micro) coquilles de des (micro) coquilles ……

Bordeaux

La Rochelle

Bayonne

Vue (au microscope) de ces Vue (au microscope) de ces «« coquillescoquilles »» du microdu micro--plancton. On verra du plancton. On verra du «« macromacro--planctonplancton »» fossile. fossile.

100 m

Des milliards et des milliards de ces microDes milliards et des milliards de ces micro--coquilles coquilles peuvent speuvent s’’accumuler pour former des roches, ici de la accumuler pour former des roches, ici de la

craie dcraie dééposposéée vers e vers –– 80 000 000 d80 000 000 d’’annannéées es àà EtretatEtretat

Des animaux plus gros utilisent aussi ces ions, Des animaux plus gros utilisent aussi ces ions, comme ici des coraux comme ici des coraux ……

LL’’accumulation de accumulation de ces coraux peuvent ces coraux peuvent aussi former de aussi former de grandes masses de grandes masses de calcaire calcaire ……

Calcaires qui forment maintenant les falaises du Calcaires qui forment maintenant les falaises du Jura, des Alpes, du Languedoc ou des PyrJura, des Alpes, du Languedoc ou des Pyréénnééeses

x Lyon

x Cerin

x Genève

On va On va éétudier maintenant les roches dtudier maintenant les roches dééposposéées dans es dans un lagon trun lagon trèès peu profond, il y a s peu profond, il y a --140 000 000 en 140 000 000 en rréégion lyonnaise, lgion lyonnaise, làà ooùù se trouve aujourdse trouve aujourd’’hui hui CerinCerin

A A CerinCerin, on trouve , on trouve du calcaire trdu calcaire trèès fin s fin en couches en couches rrééguligulièères. Ces res. Ces calcaires ont calcaires ont «« fossilisfossiliséé »» des des instantaninstantanéés de la vie s de la vie du Jurassique. du Jurassique.

Plus fort que Plus fort que certains films !certains films !

Dans ces calcaires, des petites taches sombres.Dans ces calcaires, des petites taches sombres.

Gros plan sur ces taches sombres Gros plan sur ces taches sombres ……

TrTrèès gros plan. Des trous de s gros plan. Des trous de ver, pleins de m. (coprolithes en langage gver, pleins de m. (coprolithes en langage gééologue) ologue)

A la surface des banc, on voit A la surface des banc, on voit çça ! Il y a 140 000 000 a ! Il y a 140 000 000 dd’’annannéées, les vers de vase es, les vers de vase «« chiaientchiaient »» ddééjjàà !!

On y voit aussi des ondulations, qui sont des « vaguelettes » fossiles

Sur cette vase interne au lagon (parfois hors dSur cette vase interne au lagon (parfois hors d’’eau), en plus de eau), en plus de ddééjections de vers, on trouve des traces de jections de vers, on trouve des traces de …… gouttes de pluiegouttes de pluie

Sur les terres Sur les terres voisines poussent voisines poussent des espdes espèèces de ces de palmiers (des palmiers (des cycas) dont on cycas) dont on retrouve des retrouve des feuilles venues feuilles venues flotter dans le flotter dans le lagon. lagon.

Et dans le lagon venaient sEt dans le lagon venaient s’é’échouer des mchouer des méédusesduses

10 cm

Les mLes mééduses, 4 glandes gduses, 4 glandes géénitales, 4 , 8 (ou plus) tentaculesnitales, 4 , 8 (ou plus) tentacules

Des Des éétoiles de mertoiles de mer

Des comatules (= lys de mer)Des comatules (= lys de mer)

Des raies. Et savez vous quDes raies. Et savez vous qu’’au Jurassique, comme au Jurassique, comme aujourdaujourd’’hui aussi, le raies ont deux hui aussi, le raies ont deux ……

Des raies. Et savez vous quDes raies. Et savez vous qu’’au Jurassique, comme au Jurassique, comme aujourdaujourd’’hui aussi, le raies ont deux hui aussi, le raies ont deux …… ppéénisnis

Des poissons aux belles Des poissons aux belles éécaillescailles

BelonostomusBelonostomus. . Un poisson trUn poisson trèès allongs allongéé avec un bel avec un bel ……

BelonostomusBelonostomus. . Un poisson trUn poisson trèès allongs allongéé avec un bel avec un bel …… appappéétittit

Des tortues Des tortues venaient dans venaient dans ce lagon, ainsi ce lagon, ainsi que que ……

des petits crocodiles des petits crocodiles …… Bref, on peut reconstituer le milieu Bref, on peut reconstituer le milieu et le climat en ret le climat en réégion lyonnaise, climat qui gion lyonnaise, climat qui éétait beaucoup tait beaucoup

plus chaud quplus chaud qu’’aujourdaujourd’’hui ! Verrahui ! Verra--tt--on ces on ces «« petites bpetites bêêtes tes »»envahir le Rhenvahir le Rhôône avec le rne avec le rééchauffement climatique ?chauffement climatique ?

Il nIl n’’y a pas de ly a pas de l’’eau que dans la mer, il y en a dans eau que dans la mer, il y en a dans le sousle sous--sol, qui peut circuler dans des fissures. sol, qui peut circuler dans des fissures.

Si ces eaux viennent de Si ces eaux viennent de plus profond, elles sont plus profond, elles sont chaudes, et peuvent chaudes, et peuvent contenir plein de contenir plein de substances dissoutes. En substances dissoutes. En montant, ces eaux se montant, ces eaux se refroidissent. Les refroidissent. Les substances, devenues substances, devenues moins solubles, se moins solubles, se ddééposent sur les parois posent sur les parois des fissures. Ainsi des fissures. Ainsi naissent les filons.naissent les filons.

Une géode

On verra deux géodes, une cassée en deux, et une coupée tangentiellement à sa paroi interne,

mais à l’extérieur, pour voir, par transparence, qu’il y a bien de l’eau à

l’intérieur.

LLàà, on est en Colombie. Dans ces filons, on peut trouver , on est en Colombie. Dans ces filons, on peut trouver ……

… des émeraudes !

On s’arrête une deuxième fois pour regarder quelques roches sédimentaires, quelques fossiles, et une roche de remplissage filonien et des géodes (pas d’émeraude, hélas).

Puis, si on a le temps, on regardera ce qui peut arriver à ces roches après leur formation : elles peuvent se faire « casser », plier, transformer …

Où se font-elles casser, plisser, transformer ? Là où il y a des mouvements relatifs importants, en particulier les zones de subduction et de collision.

Exemple de 2 failles, cassures avec dExemple de 2 failles, cassures avec dééplacement. placement. Ici, 2 petites failles (dIci, 2 petites failles (dééplacement de 50 cm)placement de 50 cm)

Ici, 2 grandes failles (dIci, 2 grandes failles (dééplacement de 20 m)placement de 20 m)

Parfois, lParfois, l’é’érosion rosion ddéégage la surface de la gage la surface de la faille, le long de faille, le long de laquelle slaquelle s’’est effectuest effectuééle glissement. Cette le glissement. Cette surface, appelsurface, appeléée miroir e miroir de faille, en porte les de faille, en porte les rayures, appelrayures, appeléées es «« striesstries »». .

On en verra des On en verra des ééchantillonschantillons

Parfois, les couches ne sont pas horizontales, Parfois, les couches ne sont pas horizontales, mais verticales,mais verticales,

…… plissplisséées,es,

Des grands plis, Des grands plis, ……

…… des petits plis, des petits plis, ……

… des tout petits plis

On en verra des échantillons

Parfois, à haute pression et haute température (ce qui signifie à une profondeur > 10 km) la

déformation est « intime », affecte le réseau cristallin, change la structure de la roche et peut

même changer la nature des cristaux si la Pression et le Température (= profondeur) changent.

C’est le métamorphisme.

Exemple de réaction

minéralogique due à une

augmentation de profondeur : le

minéral noir (amphibole) perd son eau et de la

silice et devient un nouveau minéral :

le grenat.

Ici, on a deux réactions dues à une diminution de profondeur : (1) le grenat se

transforme en amphibole (réaction inverse de celle de la dernière diapo), et un minéral bleu

clair (disthène) se transforme en un minéral rose (andalousite)

Parfois, la température (=

profondeur) augmente tellement qu’il peut y avoir fusion partielle

(rappelez vous les rillettes au soleil).

Cela donne des « petites gouttes » de granite interne à la roche migmatite

Cette roche partiellement fondue se déforme de façon « mollassonne », ce qui peut donner de très beaux affleurements

Et si toutes ces petites « bouffées » de magma granitique se rassemblent et migrent vers le

haut, cela donnera un massif granitique comme on en a déjà vu.

Il y a donc 2 origines pour le granite.

Et si toutes ces petites « bouffées » de magma granitique se rassemblent et migrent vers le

haut, cela donnera un massif granitique comme on en a déjà vu.

Il y a donc 2 origines pour le granite. Ces nouvelles roches pourront être altérées,

érodées … Les débris et les ions pourront être re-déposés, former de nouvelles roches, et un

nouveau cycle peut commencer.

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